25B INTERFEROMETRI 1 Johdanto 1.1 Michelsonin interferometri Kuva 1. Michelsonin interferometrin periaate. Michelsoninn interferometrin periaate on esitetty kuvassa 1. Laitteisto koostuu laserista, puoliläpäisevästää peilistä, kahdesta tasopeilistä ja varjostimesta. Tuleva tasoaalto jaetaan puoliläpäisevällä peilillä kahteen aaltorintamaan A ja B. Aaltorintamat heijastuvat peileistä ja palaavatt puoliläpäisevälle peilille, jossa ne yhtyvät jälleen tasoaalloksi. Tasoaalto etenee varjostimelle, jossa havaitaan valon interferenssi. Jos interferometrissä valo kulkee reitillä A matkan s 1, jossa taitekerroinn on n 1 ja reitillä B matkan s 2, jossa taitekerroin on n 2, on vaihe-ero aaltorintamien yhtyessä:, (1) missä 0 on valon aallonpituus tyhjiössä. Yhtälössä (1) esiintyvää tuloa ns kutsutaann optiseksi matkaksi. Jos optisten matkojen tulo on aallonpituuden monikerta, vaihe-ero onn 2:n monikerta ja kyseessä on konstruktiivinen interferenssi. Jos taas optisten matkojen ero on (N+ +½) 0, on kyseessä destruktiivinenn interferenssi. Jos Michelsonin interferometrissä matka L 1 kasvaa aallonpituuden puolikkaan verran, edestakainen matka s 1 kasvaa aallonpituuden verran. Tällöin varjostimella havaitaan täysi jakso, esimerkiksi valoisasta pimeän kautta valoisaan. Peilin sijainti voidaan siten mitata tarkkuudella, joka on pienempi kuin käytetyn valon aallonpituus. Samoin, jos taitekerroin reitillä B (tai A) muuttuu (esim. ilmanpaine muuttuu), mutta peilien etäisyydet ja taitekerroin reitillä A (tai B) pysyvät vakiona, aiheuttaa aallonpituuden suuruinen muutos optisessa matkassa varjostimella täyden t jakson. Tämän avulla voi arvioida taitekertoimen mittauksen tarkkuudeksi Δ.
Edellä on oletettu, että tuleva aalto on tasoaalto ja että peilit ovat tarkasti kohtisuorassa valonsäteitä vastaan. Tällaisessa ideaalitapauksessa koko varjostimen valoisuus vaihtelee jaksollisesti optisten matkojen muuttuessa. Todellisessa Michelsonin interferometrissä peilit ovat kuitenkin usein hieman vinossa ja lisäksii valonlähteestä tuleva valo on tasoaallon sijastaa palloaalto, mistä johtuen varjostimella kuitenkin nähdäänn valoisia ja tummia raitoja, jotka muodostavat interferenssirenkaita. Keskiakselilla a todellinen Michelsoninn interferometri käyttäytyy silti kuin ideaalitapauksessa. Yleensä interferometrisovelluksissa pyritään saamaan aikaan hidas ja jatkuva optisenn matkan muutos, jolloin renkaita laskemalla voidaan määrittää optisen matkan muutos hyvin tarkasti. Kun peili 1 tai 2 siirtyy hitaastii matkan L ilmassa, jonka taitekerroin on n i 1, optisen matkan muutos on 2nn i L. Interferenssiviivojenn siirtymisiä havaitaan tällöin. (2) 1.2 Lasin taitekertoimen määritys Kuva 2. Valon kulkeman matkan muutos, kun lasilevyä käännetään. Kun tasapaksua lasilevyä, jonka paksuus on H ja taitekerroin n l käännetään hitaasti i kohtisuorasta asennostaa vinoon, säteen kulkumatka lasissaa pitenee jaa ilmassa lyhenee, kuten kuvassa 2 on havainnollistettu. Varjostimelta lasketaan N syttyvää ja j sammuvaaa interferenssiviivaa. Optisen matkann muutos saadaan lasissaa ja ilmassa edestakaisin kuljettujen matkojen erotuksena 2 2 cos. (3) Taittumislain mukaan sin sin ja n i 1, joten yhtälö (3) sievenee muotoonn 1. (4)
1.3 Ilman taitekertoimen määritys Aineen taitekerroin n saadaan aineen sähköisistä ja magneettisista ominaisuuksista, joita kuvaavat suhteellinen permittiivisyys ε r ja suhteellinen permeabiliteetti μ r. Näitä käyttäen taitekerroin voidaan kirjoittaa muodossa. (5) Aineen suhteellinen permittiivisyys voidaan kirjoittaa atomien tai molekyylin sähköistä polarisoitumista kuvaavan vakion α ja aineen atomitiheyden N a avulla[1] 1. (6) Koska termi αn a << 1 ja ilman suhteellinen permeabiliteetti on yksi, voidaan kirjoittaa 1 1. (7) Ilmalle atomitiheys saadaan riittävän tarkasti ideaalikaasun tilanyhtälöstä ja havaitaan, että taitekerroin vakiolämpötilassa riippuu paineesta. Kirjoitetaan uuden verrannollisuuskertoimen C avulla 1 1. (8) Mittauksissa asetetaan toisen säteen kulkemalle reitille kaasukyvetti, jossa säde kulkee päätylasien välillä matkan H kahteen kertaan. Pumpataan hitaasti kyvetistä ilmaa pois, jolloin kyvetissä oleva paine laskee arvosta p 1 arvoon p 2. Samalla varjostimelta lasketaan N interferenssiviivaa. Muutos optisessa matkassa on Δ 21 1, (9) josta voidaan määrittää verrannollisuuskertoimen arvo. (10) Yhtälö (10) voidaan esittää myös suoran yhtälönä muodossa Δ, (11) joten verrannollisuuskerroin C voidaan määrittää suoran kulmakertoimen avulla. Kertoimen C avulla puolestaan saadaan ilman taitekerroin normaalipaineessa yhtälöstä (8). 2 Tavoitteet Työn tehtyään opiskelija osaa selittää miten valon konstruktiivinen ja destruktiivinen interferenssi syntyy osaa selittää Michelsonin interferometrin toiminnan periaatteet osaa selittää, mikä on materiaalin taitekerroin on harjoitellut mittaustulosten esittämistä kuvaajan avulla ja suoran sovittamista pisteistöön
3 Laitteisto 3.1 Laitteiston osat Kuva 3. Michelsonin interferometrin kaaviokuva. Muut tarvittavat välineet: - mikrometriruuvi (pyydetään assistentilta) Työssä käytettävä laitteisto on esitetty kuvassa 3. Valonlähteenä toimii punainen He-Ne-laser, heijastuu säädettävälles e jonka aallonpituus on 632,8 nm. Lasersäde ohjataann säteenjakajaan, josta osa säteestää sivupeilille, jonka kulmaa voidaan säätää peilin takanaa sijaitsevalla kahdella peukaloruuvilla. Peilin etäisyyttä säteenjakajasta voidaan säätää s kuvaan merkityllä säätöruuvilla, jonka yksi kierros vastaa 25 μmm siirtymää. Sivupeililtä säde heijastuu suoraan varjostimelle. Osa laserilta tulevasta säteestä menee suoraan säteenjakajan läpi, mutta heijastuu liikuteltavann peilin ja jälleen säteenjakajan kautta varjostimelle. Lisäksii laitteistoon kuuluu osoittimella varustettu kiertyvä komponenttipidike, johon voidaan liittää mitattavaa lasilevy tai kaasukyvetti. Huomaa, että laitteiston säätämiseen kuluva aikaa on suuri, n. 40 min. Varsinaisiin mittauksiin kuluva aika on samaa suuruusluokkaa. HUOM! Älä katso suoraan laseriin tai heijastuviin säteisiin! Säilytä linssit ja peilit puhtaina (Älä koske pintoihin sormin!!). Linssipaperia on joko pöydällä (Älä heitä pois yhden käytön jälkeen!) tai assistentilla [Tätä pitää tarkentaa myöhemmin n, kun uudet käytännöt ovat selvillä!] Kaikki mittaustulokset ja kysymysten vastaukset kirjataan vastauslomakkeelle, joita saa assistentilta. On suositeltavaa käyttää lyijykynää. Vastauslomakee palautetaan lopuksi assistentille.
3.2 Laitteiston suuntaus ja testaus 1. Laserin pitäisi olla sijoitettuna magneettisen L-pidikkeen avulla kiskoon. Sijoita kisko kiinni interferometrin runkoon ja laser kiskolle n. 3 cm päähän interferometrin rungon reunasta siten, että interferometrin rungossa laserin edessä olevaan komponenttipidikkeeseen on helppo sijoittaa linssi ja ottaa se pois. Tarkista, että lasersäde on interferometrin rungon suuntainen esim. mittaamalla paperiarkin reunan avulla lasersäteen korkeus interferometrin rungosta. Jos laser ei ole suorassa, säädä varovasti laserkiskon edessä olevaa ruuvia, kunnes laser on suorassa. 2. Käännä säteenjakaja pois laserin edestä. Nosta linssi ja lasilevy sivuun. Laserin ja liikuteltavan peilin välissä ei ole nyt esteitä. 3. Tarkista, että lasersäde heijastuu liikuteltavasta peilistä takaisin laserin kolossa olevaan reikään. 4. Kiinnitä lasilevy kiertyvään komponenttipidikkeeseen ja aseta pidike paikalleen. Tarkista, että pidike mahtuu kiertymään ainakin 10 astetta esteettömästi. (Pidikkeen ja peilin väliin ei myöskään saa jäädä liikaa tilaa, sillä muuten interferenssikuviossa on näkyvissä vain pari rengasta, mikä vaikeuttaa mittauksia.) Jos näin ei ole: avaa liikuteltavan peilin kiinnitysruuvi ja siirrä peiliä siten, että kiertyvä komponenttipidike mahtuu liikkumaan tarpeeksi tarkista, että lasersäde heijastuu takaisin laserin kolossa olevaan reikään kiristä liikuteltavan peilin kiinnitysruuvi varovasti siten, ettei peili pääse kiristettäessä liikkumaan 5. Poista kiertyvä komponenttipidike lasilevyineen. Käännä nyt säteenjakaja laserin säteeseen 45 asteen kulmaan kuvan 3 mukaisesti siten, että osa säteestä heijastuu säädettävän sivupeilin keskiosaan. Varjostimena käytettävällä seinällä pitäisi nyt näkyä useita valopisteitä, joista helposti erottuu kaksi kirkkainta. Kiristä säteenjakaja paikalleen sellaiseen asentoon, että kirkkaimmat valopisteet ovat mahdollimman lähellä toisiaan. 6. Kun muutat säädettävän sivupeilin asentoa peukaloruuveilla, osa seinällä olevista pisteistä liikkuu ja osa pysyy paikallaan. Siirrä kirkkain liikkuva piste sivupeiliä säätämällä kirkkaimman paikallaan pysyvän pisteen päälle mahdollisimman tarkasti. Pisteet ovat kohdakkain silloin, kun päällekäisten pisteiden kuva seinällä väräjää (=interferoi) pienestäkin peilin suunnan muutoksesta. 7. Aseta linssi paikalleen laserin eteen kuvan 3 mukaisesti siten, että lasersäde edelleen osuu liikuteltavaan peiliin. Säädä sivupeilin avulla interferenssikuvio mahdollisimman symmetriseksi kuvan 3 mukaisesti. 4 Esitehtävät Tutustu työhön ja vastaa alla oleviin kysymyksiin. Voit tarvittaessa etsiä lisätietoja esimerkiksi fysiikan peruskurssien opetusmateriaalista. 1. Selitä konstruktiivinen ja destruktiivinen inferferenssi 2. Selitä valonsäteiden kulku Michelsonin interferometrissä 3. Mikä on optinen matka? 4. Mikä on aaltorintamien vaihe-ero Michelsonin inferferometrissä puoliläpäisevän peilin ja varjostimen välillä?
5 Mittaukset Tee hypoteesi: Mitä interferenssikuviolle tapahtuu, kun säädettävän sivupeilin etäisyyttä säteenjakajasta muutetaan hitaasti säätöruuvia kääntämällä? Ennen varsinaisia mittauksia: Testaa tekemääsi hypoteesia ja kirjoita havaintosi vastauslomakkeeseen. 5.1 Lasin taitekertoimen määritys 1. Kirjoita ylös laserin aallonpituus. 2. Mittaa mikrometriruuvilla lasilevyn paksuus H ja kirjaa tulos vastauslomakkeeseen. 3. Aseta lasilevy kiertyvään komponenttipidikkeeseen ja kiinnitä pidike sille varattuun reikään interferometrin alustassa. Varmista silmänvaraisesti, että osoitin on suorassa komponenttipidikkeeseen nähden. 4. Sijoita osoitin siten, että nonius-asteikon nolla kohdistuu pöydässä olevan kulma-asteikon nollaan. 5. Poista linssi laserin edestä. Sijoita sopiva varjostin (paperin palanen käy hyvin) liikuteltavan peilin taakse (Liikuteltava peili päästää osan laservalosta läpi.). Jos varjostimella näkyy kirkas valopiste ja muita sekundäärisiä valopisteitä käännä lasilevypidikettä sen verran, että varjostimen valopisteet ovat mahdollisimman lähellä toisiaan. Kohdista tämän jälkeen osoitin uudelleen, kuten kohdassa 4. Lasilevy on nyt kohtisuorassa lasersädettä vastaan. 6. Poista varjostin ja aseta linssi paikoilleen. Tee hienosäätö, kunnes näet seinällä mahdollisimman terävän ja symmetrisen interferenssikuvion. 7. Käännä lasilevyä osoittimesta kiinni pitäen hitaasti ja laske kuinka monta kertaa interferenssikuvion keskusta sammuu. Merkitse muistiin syttymisten määrä ja sitä vastaava kulma. Huomaa, että interferenssikuvio muuttuu aluksi hitaasti. Tee mittaus vähintään 3 kertaa. Sopiva interferenssirenkaiden lukumäärä on esim. 30. 5.2 Ilman taitekertoimen määritys 1. Nosta kiertyvä komponenttipidike pois pöydältä ja irrota lasilevy. Kiinnitä kaasukyvetti kiertyvään komponenttipidikkeeseen ja aseta pidike takaisin pöydälle niin, että lasersäde kulkee kohtisuoraan sen läpi, kuten edellisen mittauksen kohdassa 5. (Osoittimen nollakohdasta ei tarvitse tässä mittauksessa välittää.) Säädä interferenssikuvio mahdollisimman teräväksi ja symmetriseksi. 2. Testaa käsipumpun toimintaa pumppaamalla hieman ilmaa pois kyvetistä ja huomaa paineen muutos. Ilmaa kyvetti pumpun pienestä liipaisimesta. Painemittarin viisarin tulisi osoittaa nyt nollaa. 3. Laske sammuvien interferenssirenkaiden lukumäärä samalla, kun pumppaat hitaasti ja varovaisesti ilmaa pois kyvetistä. Varo heiluttamasta pumppua tai letkua, jotta kyvetti ei pääse liikkumaan paikaltaan. Merkitse painemittarin lukema ja sitä vastaava sammuneiden interferenssirenkaiden lukumäärä vastauslomakkeeseen. Toista mittaus vähintään viisi kerta käyttäen eri alipainetta (esim. 20, 30, 40, 50, 60 kpa). 4. Sammuta laser ja irrota pistoke pistorasiasta.
6 Tulosten käsittely 6.1 Lasin taitekertoimen määritys 1. Lasilevyä kääntämällä valon optinen matka muuttuu. Käytetyn lasin taitekerroin normaalipaineessa voidaan ratkaista yhtälöstä (4). Laske taitekerroin normaalipaineessa ja kirjoita se vastauslomakkeeseen. 6.2 Ilman taitekertoimen määritys Piirrä sammuneiden interferenssirenkaiden lukumäärä N alipaineen p funktiona. Yhtälön (11) mukaan pisteiden tulisi osua suoralle. Määritä suoran kulmakerroin virherajoineen ja ratkaise sen avulla ilman taitekerroin n kaavoja (8) ja (11) hyödyntäen. Kaasukyvetin pituus päätyikkunat poislukien on H = (3,0 ± 0,1) cm. Määritä taitekertoimelle virherajat kulmakertoimen virherajojen ja ja kyvetin pituuden virherajojen avulla. Määritä kyvetin pituuden ja kulmakertoimen osuudet taitekertoimen kokonaisvirheestä. Kirjaa tulokset vastauslomakkeeseen. 7 Pohdittavaa 1. Miten määrittäisit lasin taitekertoimelle virherajat? 2. Mikä tekijä aiheuttaa ilman taitekertoimen mittauksessa suurimman virheen? 3. Mitä linssi tekee säteelle? Miksi linssi on tarpeellinen? 4. Vertaa saamiasi taitekertoimen arvoja kirjallisuudessa annettuihin arvoihin. Lähteet [1] Esim. R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, The Feynman Lectures on Physics II, Addison-Wesley, 1964, Luku 11.